电磁场与电磁波的应用,电磁场与电磁波的应用论文

('电磁场与电磁波的应用0引言电磁场与电磁波简介：电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁场与电磁波在实际生产、生活、医学、军事等领域有着广泛的应用，具有不可替代的作用。如果没有发现电磁波，现在的社会生活将是无法想象的。所以，本文主要研究电磁场与电磁波在生活中的多项应用，其中，将主要研究电能的无线传输技术。1电磁场与电磁波理论的建立在电磁学发展的早期，人们认识到带电体之间以及磁极之间存在作用力，而作为描述这种作用力的一种手段而引入的"场"的概念，并未普遍地被人们接受为一种客观的存在。现在人们已经认识清楚，电磁场是物质在一种形态，它可以和一切带电物质相互作用，产生出各种电磁现象。电磁场本身的运动服从波动的规律。这种以波动形式运动变化的电磁场称为电磁波。库仑定律揭示了电荷间的静电作用力与它们之间的距离平方成反比。安培等人又发现电流元之间的作用力也符合平方反比关系，提出了安培环路定律。基于这与牛顿万有引力定律十分类似，泊松、高斯等人仿照引力理论，对电磁现象也引入了各种场矢量，如电场强度、电通量密度（电位移矢量）、磁场强度、磁通密度等，并将这些量表示为空间坐标的函数。但是当时对这些量仅是为了描述方便而提出的数学手段，实际上认为电荷之间或电流之间的物理作用是超距作用。直到法拉第,他认为场是真实的物理存在,电力或磁力是经过场中的力线逐步传递的，最终才作用到电荷或电流上。他在1831年发现了著名的电磁感应定律，并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述。1846年,法拉第还提出了光波是力线振动的设想。法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。继法拉第电磁感应定律之后，麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场，并且认为：电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数为位移电流密度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。麦克斯韦方程组是在库仑定律(适用于静电)、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律等实验定律的基础上建立起来的。通过提取上述实验定律中带普遍性的因素，并根据电荷守恒定律引入位移电流，就可以导出麦克斯韦方程组。J.C.麦克斯韦继承并发展了法拉第的这些思想，仿照流体力学中的方法，采用严格的数学形式,将电磁场的基本定律归结为4个微分方程，人们称之为麦克斯韦方程组。在方程中麦克斯韦对安培环路定律补充了位移电流的作用，他认为位移电流也能产生磁场。麦克斯韦方程组给出了电磁场运动变化的规律，包括电荷电流对电磁场的作用。将麦克斯韦方程组、洛伦兹里公式和带电体的力学运动方程联立起来，就可以完全确定电磁场和带电体的运动变化。因此，麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式构成了描述电磁场运动和电磁作用普遍规律的完整体系。根据这组方程，麦克斯韦还导出了场的传播是需要时间的，其传播速度为有限数值并等于光速，从而断定电磁波与光波有共同属性，预见到存在电磁辐射现象。2在生产、生活上的应用2.1电能无线传输2.1.1电磁感应式无线电能传输非接触感应电能传输技术早在100年前就已经为人所知，通常采用非接触变压器耦合进行无线电力传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开,变压器原边绕组流过的是高频交流电，通过原、副边绕组的“电磁感应”将电能传输到副边绕组及用电设备，从而实现在电源和用电负载之间的能量传递而不需物理连接。该系统主要由三个部分组成，即能量发送端、无接触变压器和能量接收端，系统框图如图2-1所示。图2-1电磁感应式无线电能传输的原理图下图2-2是非接触感应电能传输系统框图。图2-2电磁感应式无线电能传输仿真图特点：利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输是非常成熟的技术，但会受到很多限制。比如变压器绕组的位置，气隙的宽度，使得磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。所以其有效传输距离只有几厘米，所以这种无线电力传输只能是短距离电能传输。2.1.2电磁共振式无线电能传输电磁共振式（又称WiTricity技术）是由麻省理工学院（MIT）的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）和他的研究团队取得了新的进展。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这个实验中发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统，当发送端的磁振荡频率和接收端线圈的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。典型的电磁共振耦合无线输电系统如图2-3所示。图２-3基于电磁共振的无线输电系统框图整个装置包含两个线圈，每一个线圈都是一个自振系统。其中一个是发射装置，与能量源相连，它并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在周围形成非辐射磁场，即将电能转换成磁场；当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。在能量传输的过程中，电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。特点：根据共振的特性，能量传输是在一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。无线传输能量过程中的磁场强度不过和地球磁场强度相似，不会对人体和周围设备产生不良影响。这种新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，其有效传输距离为几十厘米到几米，所以这种传输形式是中程传输。2.1.3电磁辐射式无线电能传输该方式主要采用微波波段进行电能传输。微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射。宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗为2%。微波输电利用电磁辐射原理，由电源送出电力，通过微波转换器将工频交流电变换成微波，再通过发射站的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收站，接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电，供用户使用。远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的传输距离。只要合理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传能。通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输，接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。在人体允许的能量密度1mW/cm2范围内，在直径为10km的空间中，传递能量可达750MW。无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小。因此，可以利用微波或激光来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题有着重要意义。随着经济和社会的发展,能源消耗越来越大,环境污染和电力需求的迅速增长使得人们越来越重视可再生能源的发展。其中太阳能以其能量高，取之不尽，用之不竭，全天候供应成为能量的最理想来源之一。特点：传输距离为几千米，属于远程传输。2.1.4无线电能传输技术的应用电磁感应式电能传输技术早已经为人所知，但因为效率太低，没能商业化。随着功率变换技术、控制技术和磁性材料的发展，非接触电磁感应电能传输技术得到了迅速发展。大功率方面的应用，比如20世纪90年代新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将非接触感应电能传输技术成功应用于新西兰Rotorua国家地热公园的30KW旅客电动运输车。德国奥姆富（WAMPELER）公司150KW载人电动火车，轨道长度达400m，气隙为120mm，是目前最大的非接触感应电能传输系统。小功率应用方面近几年发展迅速，主要是对便携式终端设备进行无线充电的研究。2010年7月无线充电联盟，发布了Qi标准对便携式终端充电设备的生产和制造进行规范，其应用的就是电磁感应式无线电能传输原理。磁共振无线电能传输技术的应用非常广泛，小到几十毫瓦的生物植入电子器件，大到上千瓦的电动汽车或运动机器人都可以得到应用。主要应用于：植入电子器件：如心脏起搏器、神经刺激器、全人工心脏等；交通运输以及水下、井下：如电动汽车、磁悬浮、海底探测、井下设备等；驱动机器人：如旋转关节、运动机器人等；电池充电：如手机、电动牙刷、电动剃须刀、笔记本电脑充电等日本已制造出卫星电站，位于地球静止轨道上，其发电能力达到500KW，距离地面36000km，微波输电就是把太阳能电池产生的直流电能，用微波管转换成微波波束，天线发射到地面接收站，再还原为交流电送到用户。微波输电时，用于无线输电的微波束强度仅为5mW·/cm-2，比100mW/cm-2的阳光强度小得多。因此，微波无线输电十分安全，不会发生电离，不会使周围生物的基因发生变异。在微波接收器下面甚至可以种植蔬菜。但是地面接收天线面积很大，其功率密度低于安全标准，选2.45GHZ的微波时，对环境和生态影响不大，但对通信和雷达、射电天文干扰很大。微波输电技术的实际应用还有一些问题，大面积推广还需时日，但可以肯定，随着科技的发展，微波输电会有广泛的应用前景。2.2生物电磁场保健在科学上，称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类，一类是天然电磁辐射，如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐射，微波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。结果发现：人体红细胞膜的渗透脆性降低，韧性增强；甲状腺素、性激素分泌增加；免疫功能提高；肾上腺皮质激素分泌无明显变化。提示：植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥，促进机体新陈代谢，增加青春活力，提高性功能，增强免疫力从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。2.3在军事上的应用——雷达雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。3结论总而言之，电磁场理论在现代科技中的应用非常广泛，涉及的领域很多。从电磁场理论的发展历史到电磁场理论在现代科技中的应用，我们了解到的是电磁场理论的发展经历了很长时间，从初步的认识到完善，几代物理学家为之付出了很多的努力，然而它的发展还没有停止，还有很多被隐藏的真理等待我们去探索，电磁场理论应用的领域应该还可以被扩展，这些都等待我们去发掘。参考文献：1、李广凯，梁海峰，赵成勇，周明，李庚银.几种特殊输电方式的分析比较和展望[J].中国电力，2004(4):43-47.2、毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究.南京航空航天大学硕士论文，2006(3):4-5.3、闫卓,陈海燕，杨庆新，张超.磁共振无线传能技术及其应用探讨.天津市电机工程学会2009年学术年会论文集，2009(9):118-121.2、常书惠。无线电能传输技能与Qi标准。',)